前言

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本文仅供个人预习和知识点记录你这不就是抄了一遍PPT吗用。

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1.1 计算机网络在信息时代中的作用（略）（原课程下置顶评论内有完整课程PPT）

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1.2 计算机网络、互联网的定义与发展

1.2.1互联网·计算机网络·互连网

• 互联网（Internet）：覆盖全球的计算机网络，采用TCP/IP协议
• 计算机网络（computer network）：由若干结点和连接这些结点（node）的链路组成
• 互连网（internet）：泛指通过路由器将各个计算机网络连接起来形成的更大的计算机网络

  关于“云”这个图形

• 当使用一朵云来表示网络时，可能有两种不同的情况：
  • 云表示的网络已经包含了和网络相连的计算机
  • 云表示的网络里剩下许多路由器和连接这些路由器的链路（link），把有关的计算机画在云的外面，将网络相连的计算机称为主机（host）

1.2.2计算机网络发展的三个阶段

• 第一阶段：军用网络ARPANET
• 第二阶段：三级结构互联网：主干网-地区网-园区网
• 第三阶段：多层次互联网服务提供者（ISP）结构互联网

1.2.3互联网的标准化

**所有互联网标准都以RFC形式在互联网上发表

• 互联网草案（Internet Draft）：有效期只有六个月，在这个阶段还不是RFC文档
• 建议标准（Proposed Standard）：从这个阶段的开始就是RFC文档
• 互联网标准 （Internet Standard）：形成正式标准后，每个标准就分配到一个编号。一个标准可以和多个RFC文档关联

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1.3互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：边缘部分和核心部分

• 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用于通信（数据传输）和资源共享
• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

1.3.1互联网的边缘部分

构成互联网边缘部分的主机称为端系统（end system），端系统可以有很大的差别（功能、所有者、性能……）

端系统间通信的含义

端系统间的通信，实际上是指运行在主机A上的某个程序 （从占用计算机资源的角度划分为进程）与运行在主机B上的某个程序（进程）进行通信

端系统间的两种通信方式

端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

• 客户-服务器方式（C/S方式） Client/Server

  • 客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程
  • C/S方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系
  • 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方
  • 客户软件的特点
    • 被客户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起服务请求。因此客户程序必须知道服务器程序的地址
    • 不需要很特殊的硬件和很复杂的操作系统
  • 服务器软件的特点
    • 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求
    • 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的服务请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址
    • 客户和服务器的通信关系建立后，通信服务是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据
    • 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持

• 对等方式（P2P方式） Peer to Peer（点到点/端对端）

  • 对等链接是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方
  • 只要两个主机都运行了对等连接软件，就可以进行平等的、对等连接通信
  • 双方都可以下载对方已经存储在硬盘内的资料

接入网络

• 接入网：将端系统连接到其边缘路由器的物理链路，是用户连接到网络的基础设施
• 边缘路由器：端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器
• 将端系统连接到网络边缘路由器的粗糙分类：
  • 家庭接入网络（点对点接入）
    • 方式1：使用传统的电话线路连接本地中心局，数据通信和电话不能同时使用 （拨号上网）
    • 方式2：使用传统的电话线路连接本地中心局，数据通信和电话采用频分多路复用技术
      • 有多种传输速率
      • 住宅和中心局距离不超过8——10英里
      • 采用非对称数字用户线路模式（ADSL） （下行需要大带宽支持，上行只需小量带宽），ASDL调制解调器始终和互联网连接，省去拨号上网、在电话线上产生三个通道 （上行、下行、电话）三个通道可以同时工作
    • 方式3：使用线缆调制解调器、混合光纤同轴电缆HFC
      • 通过一个以太网端口与家庭PC连接
      • 光节点发送的分组经下行信道传输到每个家庭，若多个用户同时下载则会导致接收速率下降
      • 每个家庭发送的分组经上行信道向光节点传输，几个用户同时发送分组将会冲突，需要多路访问协议协调
    • 方式4：使用光纤到户FTTH
      • 从本地局到每个家庭都提供一条光纤路径
      • 从中心局出来的每根光纤由多个家庭共享，在临近家庭的位置通过光纤分配器给每个家庭提供一根光纤
  • 企业/家庭接入网络、广域无线接入网络：见1.5.2

1.3.2互联网的核心部分

• 网络核心部分是互联网中最复杂的部分
• 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使得边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信
• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router），路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能

为了理解分组交换，首先要看电路交换

电路交换的主要特点

如果N台电话要两两相连，那么需要N（N-1）/2对电话线，当N很大时，电话线的数量与N²近似成正比，这对不利于电话网的建设。因此当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。而交换机所采用的交换方式就是电路交换

• 在这里，交换的含义就是转接，将两条电话线连通起来。
• 从通信资源的分配角度来看，交换就是依照某种方式动态地分配传输线路的资源
• 电路交换的特点
  • 电路交换必定是面向连接（必须得接通才能连接）的
  • 电路交换分为三个阶段：
    • 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用
    • 通信：双方交流信息的过程
    • 释放连接： 释放占用的所有通信资源
• 电路交换的优点：通信稳定
• 电路交换用于计算机网络时的缺点：计算机数据具有突发性（不是一直都在传数据），导致在传送计算机数据时通信线路的利用率很低，产生资源的浪费

分组交换的主要特点

• 分组交换采用存储转发技术
• 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段
• 每一个数据段前面添加上首部构成分组
• 分组交换传输单元（此处假定在传输过程中数据没有损失）
  • 分组交换网以分组作为数据传输单元，每一个分组的首部都含有目的地址和源地址等控制信息，分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部地址中的地质信息，把分组转发到下一个结点交换机
  • 每个分组在互联网中独立地选择传输路径
  • 依次把各分组发送到接收端
  • 接收端收到分组后剥去首部还原成数据，再恢复成原来的报文
• 分组交换的优点
  • 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用
  • 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
  • 迅速：以分组为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
  • 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由组成的交换网使得网络有很好的的生存性
• 分组交换的缺点
  • 分组在各节点存储转发需要排队，造成一定的时延ping
  • 分组必须携带的首部造成一定的开销

互联网核心的组成

• 互联网的核心部分由许多网络和将它们连接起来的路由器组成，而主机（端系统）处在互联网的边缘部分
• 互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分通常以相对较低速率的链路相连接
• 主机的用途是为用户进行信息处理，并和其它主机通过网络交换信息 （发送分组，接收分组） 。路由器的用途是用来转发分组，即进行分组交接，先存储收到的数据，再决定要转发到哪里

路由器

• 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线
• 路由器处理分组的过程是：
  • 把收到的分组先放入缓存
  • 查找转发表，找出到某个目的地址应该从哪个端口转发
  • 把分组送到适当的端口转发出去

电路交换、报文交换、分组交换的不同（个人理解）

• 电路交换需要等待连接建立后才能传递信息，有一定的时间的浪费，且发送信息期间链路均被占用，成本高
• 报文交换不需要等待连接建立，对每个链路的占用时长降低，因此成本低，但因为结点之间的传送存在次序，必须要等上一级结点传送完毕才能传给下一结点，导致用时长
• 分组交换将报文分成多个分组，压缩了传送时间且具有报文交换的优点。

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1.4 计算机网络在我国的发展（略）

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1.5 计算机网络的类别

1.5.1 计算机网络的定义（计算机网络的精确定义并未统一）

• 课程给出的定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件 （表明这种硬件一定含有CPU）互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

1.5.2几种不同类别的网络

• 计算机网络有多种类别。类型包括：

  • 从网路的作用范围进行分类

    • 广域网WAN：作用范围几十到几千公里
    • 城域网MAN；作用范围5~50公里
    • 局域网LAN/园区网：局限在较小范围（如1公里左右）
    • 个人局域网PAN：范围很小，大约在10米左右

  • 从网络的使用者进行分类

    • 公用网：按规定缴纳费用的人都可以使用的网络
    • 专用网：为特殊业务工作的需要而建造的网络

  • 用来把用户接入到互联网的网络

    • 接入网AN：又称本地接入网或居民接入网
    • 接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。
    • 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分，由端系统到另一个端系统的路径中与第一个路由器间的物理链路所构成。从覆盖的范围看，很多接入网属于局域网，从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的作用。

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1.6计算机网络的性能，是什么？如何衡量？

1.6.1计算机网络的性能指标

• 速率

  • 计算机数据量/信息量单位比特bit
  • 速率指的是数据的传送速率，也称为数据率或比特率
  • 速率的单位是bit/s,更大的单位有kbit/s,Mbit/s,Gbit/s等等。需要注意的是，1kb=1024b，1kb/s=1000bit/s，其余以此类推。

• 带宽

  • 带宽本来是指信号所具有的频带宽度，单位是Hz
  • 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某信道传送数据的能力，表示在单位时间内网络中的某通道所能通过的最高数据率，因此单位和速率一样是bit/s
  • 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄

• 吞吐量

  • 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络/通道/接口的数据量
  • 吞吐量常用于对显示世界中网络的测量，以便知道有多少数据能够通过网络
  • 吞吐量受网络带宽/网络额定速率的限制

• 时延/延迟ptsd犯了

  • 延迟是指数据从网络链路一段传送到另一端所需要的的时间
  • 网络延迟由以下几个不同的部分组成：
    • 发送延迟 = 数据帧长度/发送速率
    • 传播延迟：电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。可知传播延迟和发送延迟有本质上的不同。传播延迟==通道的物理长度/信号的传播速度
    • 处理延迟：主机或路由器收到分组时，为处理分组（分析首部、提取数据、差错检验、查找路由）所花费的时间
    • 排队延迟：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所需时间，取决于网络中当时的通讯录
  • 延迟=发送延迟+传播延迟+处理延迟+排队延迟

• 时延带宽积

  • 链路的时延带宽积又称以比特为单位的链路长度
  • 时延带宽积=传播时延x带宽

• 往返时间RTT

  • 往返时间表示从发送方发送数据开始到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间
  • 往返时间=各中间结点的处理延迟和排队延迟+传播延迟+发送延迟

• 利用率

  • 分为信道利用率和网络利用率
  • 信道利用率：指出某信道有百分之几的时间是有数据通过的。
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值
  • 信道利用率并非越高越好，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也将急剧增加，若令D0为网络空闲时的延迟，D表示网络当前的延迟，U表示网络的利用率，则在适当的假定条件下，可以用公式D=D0/（1-U）表示D和D0的关系

1.6.2计算机网络的非性能特征

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理和维护

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1.7计算机网络的体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成

• 相互通讯的两个计算机系统必须高度协调工作，而这种协调是相当复杂的
• 分层可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，化繁为简，易于处理。
• 在形成统一标准之前，各种体系结构的计算机网络之间很难相互连通，为了解决该问题，ISO于1977年提出了标准框架开放系统互连基本参考模型，简称OSI，但OSI在市场化方面失败了。
• 目前的两种国际标准(事实意义上)为TCP\IP

1.7.2协议与划分层次

• 计算机网络中的数据交换必须遵守实现约定的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题
• 网络协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定
• 网络协议的三个组成要素
  • 语法：报文格式/数据与控制信息的结构或格式
  • 语义：每个字段的含义/需要发出何种控制信息。完成何种动作以及做出何种响应
  • 同步：报文传输的先后次序/事件实现顺序的详细说明
• 协议的两种形式：文字描述、程序代码
• 分层：将计算机数据的传送划分为彼此之间有联系但功能上相互独立的多个层次进行。
• 分层的好处和缺点
  • 好处
    • 各层之间相互独立
    • 灵活性好
    • 结构上可分割
    • 易于实现和维护
    • 能促进标准化工作
  • 缺点
    • 效率降低
    • 有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生额外开销
  • 因此层数的多少要适当，层数太少会使得每一层的协议太过复杂，而层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难

如何恰当分层？

• 各层完成的主要功能
  • 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠
  • 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快
  • 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原
  • 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条底层的连接，在接收端再进行分用
  • 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后再释放连接

计算机网络的体系结构

• 计算机网络的体系结构是关于网络的各层及其协议的集合
• 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义
• 实现是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题

1.7.3具有五层协议的体系结构

• OSI的七层体系结构虽然概念清楚、理论较为完整，但它既复杂又不实用。
• TCP/IP 是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层，但最下面的网络接口层并没有具体内容。
• 因此采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种五层协议的体系结构：应用层（对应OSI的应用层+表示层+会话层）、运输层、网络层、数据链路层、物理层

  主机1向主机2通过五层协议体系结构发送数据的全过程

• 应用进程数据先传送到应用层，加上应用层首部，成为应用层PDU（OSI把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元）
• 发送
  • 应用层PDU再传送到运输层，加上运输层首部成为运输层报文
  • 运输层报文再传送到网络层，加上网络层首部成为IP数据报/分组
  • IP数据报再传送到数据链路层，加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧
  • 数据链路层帧再传送到物理层，物理层把比特流传送到物理媒体
• 接收
  • 物理层接收到比特流，上交给数据链路层
  • 数据链流层剥去帧首部和尾部，取出数据部分上交给网络层
  • 网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层
  • 运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层
  • 应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程，传送结束
• 任何两个同样的层次把数据通过水平虚线 （包含两个层次下面的所有部分）直接传递给对方，这就是所谓的对等层之间的通信
• 各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

• 实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
• 协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务
• 注意协议和服务的区别，协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则，服务是垂直的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。
• 协议必须把所有不利的事件事先都估计到，不能假定一切都是正常的、非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，还必须非常仔细地检查这个协议能否应对各种异常情况

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